JP2004061622A

JP2004061622A - Light guide element for illumination

Info

Publication number: JP2004061622A
Application number: JP2002216655A
Authority: JP
Inventors: Hideo Maeda; 前田　英男; Ichiro Fujishiro; 藤代　一朗; Hiroshi Omori; 大森　宏; Yuichiro Otoshi; 大利　祐一郎
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2004-02-26

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light guide element for illumination having high utilization efficiency of light for illumination, realizing uniform illumination and having a small angle difference of illuminating light. <P>SOLUTION: Prism-shaped projecting parts (13) having two surfaces (13a and 13b) are provided repeatedly on the upper surface (11) of a light guide element. While the light made incident from an end face (14) is totally reflected by the lower surface(12) and the surface (13b) so as to advance inside the light guiding element (1), the light is reflected by the surface (13a) so as to greatly change its direction, and emitted from the lower surface to constitute the illuminating light. By making the lower surface a curved surface in the repetition direction of the projecting parts, the incidence angle and the incidence frequency of the light on the upper surface are adjusted, whereby the uniform illumination and the high utilization efficiency of the light are realized. By changing the inclination of the surface (13a) for every projecting part, the angle difference of the illuminating light is made small. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対向する２つの表面で全反射して光を導きながら、一方の表面より出射させる照明用の導光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）の普及に伴い、低消費電力で表示品位の高い映像表示装置が望まれており、これを満たす表示素子として、反射型液晶表示器が多用されている。反射型液晶表示器は、明所では、外光を照明光として利用するため、照明用の光源を必要とせず、電力消費が抑えられる。一方、暗所では、視認性向上のために照明する必要があるが、反射型であるという構造上、観察者側から照明するフロントライト照明装置が用いられる。
【０００３】
薄型化のために、フロントライト照明装置は、光源と面状の導光素子とで構成するのが一般的である。導光素子は、液晶表示器の前面に配置され、光源からの光を、端部より入射させて内部を進行させながら、一方の表面より少しずつ出射させて、液晶表示器に導く。
【０００４】
導光素子を含むフロントライト照明装置を備えた液晶表示装置を図１５に示す。図１５において（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図である。導光素子９０は、巨視的に見て平板状であり、上面９１と下面９２を有する。上面９２にはプリズム状の凸部９３が繰り返し設けられており、各凸部９３は、第１の表面９３ａと第２の表面９３ｂを有する。下面９２は平面であり、上面９１は全体として下面９２に平行な平面である。
【０００５】
導光素子９０の各凸部９３の第１の表面９３ａは第２の表面９３ｂ側が高くなるように傾斜しており、第２の表面９３ｂは第１の表面９３ａ側が高くなるように傾斜している。第２の表面９３ｂの幅は第１の表面９３ａの幅よりも大きく、上面９１の全体としての平面に対する第２の表面９３ｂの傾斜角θ２は、第１の表面９３の傾斜角θ１よりも小さい。
【０００６】
導光素子９０の端面９４に対向して、線状の光源（例えば冷陰極管）９６とリフレクタ９７が配置されている。光源９６が発した光は、直接またはリフレクタ９７によって反射されて、端面９４より導光素子９０に入射する。入射した光は、下面９２と上面９１の各凸部９３の第２の表面９３ｂで全反射されて、導光素子９０の内部を凸部９３の繰り返しの方向に進行し、その間、凸部９３の第１の表面９３ａで反射されて大きく向きを変えられ、下面９２を透過して出射する。
【０００７】
フロントライト照明装置は、導光素子９０の下面９２が反射型液晶表示器９８に対向する形態で使用され、下面より出射した光で液晶表示器９８を照明する。その照明特性は、導光素子９０全体の形状と、各凸部９３の形状によって規定される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来より、照明装置の照明特性を規定する導光素子９０の全体形状や各凸部９３の形状については、細かく検討されていない。このため、光源９６からの光の照明への利用効率が低くとどまったり、均一な照明ができなくなったりしているのが現状である。
【０００９】
照明対象面の全体を照明するために、光源９６からの光は、入射側の端面９４に対向する端面９５にまで導かれるが、端面９５に達した光は、これを透過して失われる。端面９５に達する光が多ければ、光の利用効率は低下する。
【００１０】
導光素子９０の各部位における出射光の量は、凸部９３の第１の表面９３ａの単位距離当たりの数と、第１の表面９３ａの個々の面積と、導光素子９０内に残存している光の量と、光が上面９１に入射する単位距離当たりの頻度の積におおよそ比例する。導光素子９０の内部を進行する光の量は次第に減少するから、同一形状の凸部９３を一定のピッチで繰り返していたのでは、入射側の端面９４から遠い部位ほど出射する光は少なくなり、照明光の量に勾配が生じる。この様子を図１６に示す。
【００１１】
また、全反射を生じさせる凸部９３の第２の表面９３ｂは、光の上流側から下流側に上昇しているため、導光素子９０の内部を進行する光の上面９１や下面９２に対する入射角は、第２の表面９３ｂで全反射されるごとに、２×θ２ずつ大きくなっていく。つまり、光は、入射側の端面９４から離れるほど、上面９１全体や下面９２に対して平行近づいていく。この様子を図１７に示す。したがって、端面９４から離れるほど、上面９１への光の入射頻度は少なくなって、照明光の量の勾配が助長されることになる。また、端面９５に達して失われる光の増大を招く結果ともなる。
【００１２】
光源９６からの光は発散光であるため、第１の表面９３ａに対する光の入射角は凸部９３ごとに相違する。したがって、第１の表面９３ａでの反射によって生じる照明光の進行方向も凸部９３ａごとに異なる。この様子を図１８示す。さらに、前述のように、上面９１に対する入射角は２×θ２ずつ増大するから、第１の表面９３ａに対する入射角も２×θ２ずつ増大することになり、照明光の角度差は一層大きくなる。液晶表示器に対する照明光の角度範囲には制約があり、入射角が許容範囲を超えると、照明光を適切に変調することができなくなったり、変調後の映像を表す光に進行方向の異なるゴースト光が生じたりして、提供する映像の品位の低下を招く。
【００１３】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、照明への光の利用効率が高く、均一な照明が可能で、照明光の角度差の小さい照明用の導光素子を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、プリズム状の凸部が繰り返し形成された上面と、上面に対向する下面とを有し、内部に入射した光を、上面と下面で全反射して凸部の繰り返しの方向に進行させながら、各凸部の一部位で下面を透過するように反射して、下面より出射した光を照明用の光とする導光素子において、下面が凸部の繰り返し方向の曲面であって、最も厚い部位が凸部の繰り返しの方向の両端の間に位置する構成とする。
【００１５】
この導光素子は、凸部が設けられていない下面が平面ではなく曲面であり、内部を進行する光の上面や下面に対する入射角や素子の厚さ（上面と下面との距離）を、下面の曲率で調整することができる。厚さが小さいほど上面への光の入射頻度は高くなり、したがって、光の進行方向の下流側の部位の厚さを小さくすることで、均一な照明を行うことができる。また、下流側の部位の下面から多くの光を出射させて、下流側の端面を透過して失われる光を低減することも可能であり、光の利用効率が高まる。しかも、中央部を厚くしたことにより、出射する照明光の角度差を小さく抑えることが容易になる。
【００１６】
前記目的を達成するために、本発明ではまた、プリズム状の凸部が繰り返し形成された上面と、上面に対向する下面とを有し、内部に入射した光を、上面と下面で全反射して凸部の繰り返しの方向に進行させながら、各凸部の一部位で下面を透過するように反射して、下面より出射した光を照明用の光とする導光素子において、上面が全体として、凸部の繰り返し方向の曲面である構成とする。
【００１７】
この導光素子は、凸部が設けられている上面が巨視的に見て曲面であり、内部を進行する光の上面や下面に対する入射角や素子の厚さを、上面の曲率で調整することができる。下流側の部位の厚さを小さくして、均一な照明を行うことや、光の利用効率を高めることが可能になる。また、下面を透過する光を生じさせる部位の面積を凸部によって変えることも可能であり、これにより一層均一な照明を行うことができる。
【００１８】
ここで、各凸部が、光の下流側から順に、上流側から下流側に下降する第１の表面と、上流側から下流側に上昇する第２の表面とを有して、第１の表面で下面を透過する方向に光を反射し、第２の表面で下面によって全反射される方向に光を反射し、第２の表面の傾斜が光の下流側に位置する凸部ほど小さい設定とするとよい。このようにすると、第２の表面の傾斜に起因して上面に対する光の入射角が下流側の部位で大きくなるのを抑えることができ、また、下流側の部位の厚さを一層小さくすることができて、さらに均一な照明をすることが可能になり、光の利用効率も向上する。また、照明光の角度差もさらに小さくなる。
【００１９】
また、各凸部が、光の下流側から順に、上流側から下流側に下降する第１の表面と、上流側から下流側に上昇する第２の表面とを有して、第１の表面で下面を透過する方向に光を反射し、第２の表面で下面によって全反射される方向に光を反射し、第１の表面の傾斜が凸部によって異なる設定とするとよい。このようにすると、照明光の角度差を小さくすることが容易になる。なお、凸部は、第１の表面と第２の表面に加えて、第１の表面を透過した光を再入射させるための第３の表面を有するようにしてもよい。
【００２０】
凸部の繰り返しの方向の断面において第１の表面が成す線分と第２の表面が成す線分の長さの比が、１対１０から１対１６までの範囲内である設定とするとよい。このようにすると、凸部の繰り返しのピッチの割に第１の表面を大きくすることができて、作製が容易になる。しかも、出射する光の量と内部を進行する光の量とのバランスを、均一な照明が可能な範囲に保つことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。第１の実施形態の導光素子１の縦断面を図１に模式的に示す。導光素子１は板状であり、上面１１とこれに対向する下面１２を有する。上面１１には、プリズム状の凸部１３が繰り返し形成されている。各凸部１３は第１の表面１３ａと第２の表面１３ｂを有し、断面が三角形状である。また、全ての凸部１３は同じ形状、同じ大きさであり、平行である。各凸部１３は導光素子１の全体の大きさに比べて小さく、上面１１は全体として、つまり巨視的に見て、平面である。
【００２２】
導光素子１は、凸部１３の繰り返しの方向に対して垂直な２つの端面１４、１５を有している。端面１４に対向して線状の光源を配置することで、導光素子１はその光源と共に照明装置を成す。光源としては、図１５に示したように、冷陰極管とリフレクタとを組み合わせたものや、線状の導光素子と小さな発光素子（例えば発光ダイオード）とを組み合わせ、発光素子を線状導光素子の端面に対向させたものを用いることができる。
【００２３】
上面１１の各凸部１３の第１の表面１３ａは第２の表面１３ｂ側（端面１４側）が高くなるように傾斜しており、第２の表面１３ｂは第１の表面１３ａ側（端面１５側）が高くなるように傾斜している。第２の表面１３ｂの幅は第１の表面１３ａの幅よりも大きく、上面１１の全体としての平面に対する第２の表面１３ｂの傾斜角θ２は、第１の表面１３ａの傾斜角θ１よりも小さい。第１の表面１３ａの傾斜角θ１は３５°〜５５°に設定されている。
【００２４】
導光素子１は、端面１４を透過して入射した光源からの光を、下面１２と上面１１の各凸部１３の第２の表面１３ｂとで全反射して、凸部１３の繰り返しの方向に進行させながら、第１の表面１３ａで反射して大きく方向を変え、下面１２を透過させて出射させる。導光素子１を含む照明装置は、導光素子１の下面１２が照明対象、例えば反射型液晶表示器に対向する形態で使用する。
【００２５】
導光素子１の下面１２は、凸部１３の繰り返しの方向に曲率を有する凸の曲面である。また、下面１２は、端面１４付近では端面１４に近づくほど上昇して上面１１に近づき、端面１５付近では端面１５に近づくほど上昇して上面１１に近づく。つまり、導光素子１は端面１４と端面１５の間において最も厚い。
【００２６】
導光素子１の内部を進行する光の上面１１に対する入射角は、凸部１３の第２の表面１３ｂで全反射されるごとに、２×θ２ずつ大きくなる。しかしながら、下面１２が上記のような曲面であるため、上面１１に対する光の入射角は下面１２で全反射されるごとに小さくなる。すなわち、第２の表面１３ｂでの全反射による上面１１に対する光の入射角の増大を、下面１２での全反射によって相殺することが可能であり、上面１１に対する光の角度を導光素子１の全体にわたって略一定にすることができる。これにより、上面１１に対する光の単位距離当たりの入射頻度が下流側（端面１５側）の部位で低下するのが抑えられる。
【００２７】
さらに、下面１２の曲率を大きくすることで、上面１１に対する光の入射角を下流側の部位ほど小さくなるようにすることも可能である。この様子を図２に示す。このようにすると、下流側の部位の上面１１への入射頻度はさらに高くなる。
【００２８】
また、上面１１に入射してから次に上面１１に入射するまでの光の進行距離は導光素子１の厚さに比例し、したがって、上面１１に対する光の入射頻度は導光素子１の厚さに反比例する。下流側の部位が薄い導光素子１では、この点でも、下流側の部位における上面１１への入射頻度を高めることができる。
【００２９】
したがって、導光素子１は、内部に残存する光が少なくなる下流側の部位においても多くの光を出射させることが可能であり、照明対象を均一に照明することができる。しかも、上面１１に対して平行に近い光は下流側であっても少ないため、端面１５を透過して失われる光が減少し、光源からの光を照明に効率よく利用することができる。
【００３０】
なお、ここでは凸部１３を２つの表面１３ａ、１３ｂのみを有する三角形状としているが、図３に示すように、第３の表面１３ｃを加えて台形状としてもよい。これは、以下に述べる各実施形態においても同様である。出射光を生じさせる第１の表面１３ａに対する光の入射角は比較的小さく、第１の表面１３ａを透過する光も生じるが、第１の表面１３ａを透過した光の一部を第３の表面１３ｃから導光素子１内に再入射させることが可能になり、光の利用効率が一層向上する。第３の表面１３ｃを加えた場合も、全反射を生じさせるのは第２の表面１３ｂである。
【００３１】
第２の実施形態の導光素子２の縦断面を図４に模式的に示す。本実施形態の導光素子２は、上記の導光素子１を修飾して、凸部１３の第２の表面１３ｂの傾斜角θ２を次第に変化させたものである。端面１４に最も近い凸部１３から数えてｎ番目の凸部１３の第２の表面１３ｂの傾斜角をθ２（ｎ）と表せば、θ２（ｎ）＜θ（ｎ＋１）である。第１の表面１３ａの傾斜角θ１は一定である。
【００３２】
１つの凸部１３の第１の表面１３ａとその隣の凸部１３の第２の表面１３ｂの交線（以下、この交線を底線とよぶ）は、全て同一平面上に位置する（以下、底線が成す面を底線面とよぶ）。同一の凸部１３の第１の表面１３ａと第２の表面１３ｂの交線（以下、この交線を稜線とよぶ）は、同一平面上または曲面上に位置する（以下、稜線が成す面を稜線面とよぶ）。
【００３３】
第２の表面１３ｂの幅（凸部の繰り返しの方向に平行で第１、第２の表面１３ａ、１３ｂと直交する断面で第２の表面１３ｂが成す線分の長さ）は略一定であり、したがって、第１の表面１３ａの幅は凸部１３によって異なる。稜線面が平面であるか曲面であるかは、第２の表面１３ａの傾斜角θ２の変化の仕方に依存する。ただし、第２の表面１３ｂの幅は一定でなくてもよい。
【００３４】
導光素子２においては、第１の表面１３ａの面積が下流側の凸部１３ほど大きいため、下流側の部位から出射する光の量をさらに増すことができる。したがって、一層均一な照明が可能である。第２の表面１３ｂの傾斜角θ２をどのように変化させるかは、下面１２の曲率を考慮して設定する。
【００３５】
第３の実施形態の導光素子３および第４の実施形態の導光素子４の縦断面をそれぞれ図５および図６に模式的に示す。これらの導光素子３、４は、上面１１を、全体として、凸部１３の繰り返しの方向に曲率を有する曲面としたものである。いずれの導光素子３、４においても、底線面は曲面であり、また、凸部１３は全て同じ形状、同じ大きさである。第２の表面１３ｂの傾斜角θ２は、端面１４側の凸部１３から次第に小さくなるように設定されており、稜線面は底線面とはやや異なる曲面である。上面１１は、端面１４と端面１５の間において最も高い。
【００３６】
底線方向から見た２つの凸部１３を重ねて図７（ａ）に示す。これらの凸部１３は図７（ｂ）の２つの凸部１３である。凸部１３は形状および大きさが同じでありながら、第２の表面１３ｂの傾斜角θ２が相違するため、ピッチＰに差ΔＰが生じ、下流側のピッチの方が小さい。したがって、導光素子３、４においては、単位距離当たりの第１の表面１３ａの数が下流側で多く、下流側の部位から出射する光の量をさらに多くすることができる。
【００３７】
しかも、第１の表面１３ａの傾斜角θ１は端面１４側の凸部１３から次第に大きくなり、図８に示すように、上面１１に対する入射角が凸部１３よって相違するにもかかわらず、出射する照明光の方向を略一定にすることができる。導光素子３、４のいずれも、下面１２は曲面である。導光素子３は、端面１４において最大の厚さであり、導光素子４は、中央部において最大の厚さである。
【００３８】
第５の実施形態の導光素子５および第６の実施形態の導光素子６の縦断面をそれぞれ図９および図１０に模式的に示す。これらの導光素子５、６は、それぞれ導光素子３、４を修飾して、上面１１を端面１４において最も高くしたものである。
【００３９】
第７の実施形態の導光素子７の上面１１の一部分の縦断面を図１１に示す。導光素子７は、第２の表面１３ｂの幅を端面１４側の凸部１３から次第に小さくなるようにしたものである。第１の表面１３ａの幅は同じであり、したがって、凸部１３ごとに形状、大きさ共に相違する。このようにしても、単位距離当たりの第１の表面１３ａの数が下流側の部位ほど多くなり、下流側の部位から出射する光の量を多くすることができる。なお、第２の表面１３ｂは全て平行である。
【００４０】
第８の実施形態の導光素子８の上面１１の一部分の縦断面を図１２に示す。この導光素子８は、上記の導光素子７と同様に第２の表面１３ｂの幅を端面１４側の凸部１３から次第に小さくするとともに、第２の表面１３ｂの傾斜角θ２も、次第に小さくしたものである。したがって、上面１１は曲面である。このようにすると、下流側の部位から出射する光の量を導光素子７よりもさらに多くすることができる。また、出射する光の角度差も小さくなる。
【００４１】
第９の実施形態の導光素子９の上面１１の一部分の縦断面を図１３に示す。この導光素子９は、上記の導光素子８を修飾して、第１の表面１３ａの幅を端面１４側の凸部１３から次第に大きくしたものである。このようにすると、単位距離当たりの第１の表面１３ａの数にあまり差は生じないが、第１の表面１３ａの面積が下流側の部位ほど大きくなり、下流側の部位から出射する光の量を多くすることができる。
【００４２】
光線追跡法による本発明の導光素子の特性の計算結果の例を次に示す。計算例としては、第１の実施形態の導光素子１と、第４の実施形態の導光素子４を用いた。また、比較例として、図１５に示した従来の導光素子９０と、その下面９２を上面９１に対して非平行にした図１４の導光素子９０ａを用いた。計算結果は表１に示すとおりである。
【００４３】

【００４４】
ここで、第１第２表面幅比は、第１の表面１３ａ（９３ａ）の幅（凸部の繰り返し方向の断面での線分の長さ）に対する第２の表面１３ｂ（９３ｂ）の幅の比であり、下流側端面での厚さは端面１５（９５）における導光素子の厚さである。光の利用効率は入射する光の総量に対する下面１２（９２）から出射する光の総量の比である。また、第１、第２の表面の傾斜角θ１、θ２は、導光素子４においては、端面１４に最も近い凸部１３のものである。第２の表面の傾斜角θ２の全変化量は第２の表面１３ｂの全てにわたっての傾斜角θ２の変化の総量である。
【００４５】
導光素子の全長は４４ｍｍ、上流側の端面１４（９４）での厚さは１ｍｍ、凸部１３（９３）のピッチは０．１７ｍｍ、凸部の全長は４０ｍｍ、凸部の開始位置は端面１４（９４）から２ｍｍである。導光素子１、４の下面１１は曲率半径が５７１．６ｍｍの円筒面とし、端面１４と端面１５を結ぶ直線の垂直二等分線上に曲率中心を位置させた。なお、各導光素子は輝度均斉度が９０％以上となるように個別に設定した。また、各導光素子の屈折率は１．５８４とした。
【００４６】
従来の導光素子９０においては、輝度均斉度が９０％以上になるようにすると、光の利用効率は１９．６％にとどまった。下流側の部位ほど上面９１に近づくように平面の下面９２を傾斜させた導光素子９０ａにおいても、光の利用効率は２％程度向上したに過ぎない。
【００４７】
これに対し、本発明の第１の実施形態の導光素子１では、光の利用効率は３５．８％となり、従来の導光素子９０の１．５倍に向上した。第４の実施形態の導光素子４では、光の利用効率はさらに向上し３８．３％となった。これは、均一な照明と高い光の利用効率の両立に、下面１２や上面１１を曲面とすることが有効であることを示す。また、第１の表面１３ａの幅に対する第２の表面１３ｂの幅の比は１６以下が好ましいことが判る。ただし、この比を１０未満にすると輝度均斉度を９０％以上にするのが難しいことが他の計算結果から判っており、この比は１０以上かつ１６以下とするのがよい。
【００４８】
なお、各実施形態においては、入射側の端面１４を平面としているが、端面１４の形状は任意に設定してよい。例えば、光源として棒状の冷陰極管を用いる場合、端面を冷陰極管の表面に沿う凹面とすることで、光源を近接させて入射する光の量を多くすることができる
【００４９】
導光素子の材料としては、ガラスのほかに、樹脂を用いることができる。樹脂を用いれば、射出成形やコンプレッション成形によって作製することが可能であり、製造効率が向上する。材料は、透明性、屈折率等の光学的特性を考慮して選択すればよく、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、メチルメタクリレートと他のメタクリレートまたはアクリレートとの共重合体、ポリカーボネート（ＰＣ）、シクロオレフィンポリマーが適する。
【００５０】
特に、シクロオレフィンポリマーは、比重が１．０と他の樹脂に比べて小さく（例えばＰＭＭＡは比重１．２）、屈折率も１．５３と他の樹脂に比べて大きく（例えばＰＭＭＡは屈折率１．４９）、したがって光閉じ込め効果が高いので、軽量化および薄型化の点で好ましい。しかも、固化前の流動性が高いので射出成形に適しており、吸湿性が低く高湿条件下でも変形し難いので、薄型とする導光素子に好適である。
【００５１】
また、導光素子を単一の材料で形成する必要はない。例えば、プリズム状の凸部を形成したシートを単なる透明板に貼り付けて作製することも可能である。
【００５２】
【発明の効果】
プリズム状の凸部が繰り返し形成された上面と、上面に対向する下面とを有し、内部に入射した光を、上面と下面で全反射して凸部の繰り返しの方向に進行させながら、各凸部の一部位で下面を透過するように反射して、下面より出射した光を照明用の光とする導光素子において、本発明のように、下面が凸部の繰り返し方向の曲面であって、最も厚い部位が凸部の繰り返しの方向の両端の間に位置する構成とすると、上面や下面に対する光の入射角や素子の厚さを、下面の曲率で調整することができて、均一な照明を行うことや、光の利用効率を高めることが可能になる。しかも、中央部を厚くしたことにより、出射する光の角度差を小さく抑えることが容易である。
【００５３】
プリズム状の凸部が繰り返し形成された上面と、上面に対向する下面とを有し、内部に入射した光を、上面と下面で全反射して凸部の繰り返しの方向に進行させながら、各凸部の一部位で下面を透過するように反射して、下面より出射した光を照明用の光とする導光素子において、本発明のように、上面が全体として、凸部の繰り返し方向の曲面である構成とすると、上面や下面に対する光の入射角や素子の厚さを、上面の曲率で調整することができて、均一な照明を行うことや、光の利用効率を高めることが可能になる。また、下面を透過する光を生じさせる部位の面積を凸部によって変えることも可能であり、これにより一層均一な照明を行うことができる。
【００５４】
各凸部が、光の下流側から順に、上流側から下流側に下降する第１の表面と、上流側から下流側に上昇する第２の表面とを有して、第１の表面で下面を透過する方向に光を反射し、第２の表面で下面によって全反射される方向に光を反射し、第２の表面の傾斜が光の下流側に位置する凸部ほど小さい設定とすると、第２の表面の傾斜に起因して上面に対する光の入射角が下流側の部位で大きくなるのを抑えることができ、また、下流側の部位の厚さを一層小さくすることができて、さらに均一な照明をすることが可能になり、光の利用効率も向上する。また、照明光の角度差もさらに小さくなる。
【００５５】
各凸部が、光の下流側から順に、上流側から下流側に下降する第１の表面と、上流側から下流側に上昇する第２の表面とを有して、第１の表面で下面を透過する方向に光を反射し、第２の表面で下面によって全反射される方向に光を反射し、第１の表面の傾斜が凸部によって異なる設定とすると、照明光の角度差を小さくすることが容易になる。
【００５６】
凸部の繰り返しの方向の断面において第１の表面が成す線分と第２の表面が成す線分の長さの比が、１対１０から１対１６までの範囲内である設定とすると、凸部の繰り返しのピッチの割に第１の表面を大きくすることができて、作製が容易になる上、出射する光の量と内部を進行する光の量とのバランスを、均一な照明が可能な範囲に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の導光素子の縦断面図。
【図２】第１の実施形態の導光素子の上面および下面に対する光の角度を示す図。
【図３】第１の実施形態の導光素子の変形例の縦断面図。
【図４】第２の実施形態の導光素子の縦断面図。
【図５】第３の実施形態の導光素子の縦断面図。
【図６】第４の実施形態の導光素子の縦断面図。
【図７】第３、第４の実施形態の導光素子の異なる凸部の縦断面図。
【図８】第３、第４の実施形態の導光素子から出射する照明光の角度を示す図。
【図９】第５の実施形態の導光素子の縦断面図。
【図１０】第６の実施形態の導光素子の縦断面図。
【図１１】第７の実施形態の導光素子の上面の一部分の縦断面図。
【図１２】第８の実施形態の導光素子の上面の一部分の縦断面図。
【図１３】第９の実施形態の導光素子の上面の一部分の縦断面図。
【図１４】特性評価に用いた従来の導光素子の変形例の縦断面図。
【図１５】従来の導光素子を備えた液晶表示装置の平面図（ａ）および縦断面図（ｂ）。
【図１６】従来の導光素子における照明光の量の不均一さを示す図。
【図１７】従来の導光素子における上面への入射角の変化を示す図。
【図１８】従来の導光素子における照明光の角度差を示す図。
【符号の説明】
１〜９　導光素子
１１　　　上面
１２　　　下面
１３　　　凸部
１３ａ　　第１の表面
１３ｂ　　第２の表面
１３ｃ　　第３の表面
１４　　　端面
１５　　　端面
θ１　　　第１の表面の傾斜角
θ２　　　第２の表面の傾斜角
Ｐ　　　　凸部のピッチ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a light guide element for illumination that emits light from one surface while guiding light by total reflection on two opposing surfaces.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art With the spread of mobile phones and personal digital assistants (PDAs), a video display device with low power consumption and high display quality has been desired, and a reflective liquid crystal display device has been frequently used as a display element satisfying this requirement. In a bright place, a reflective liquid crystal display uses external light as illumination light, so that a light source for illumination is not required and power consumption is suppressed. On the other hand, in a dark place, it is necessary to illuminate to improve the visibility. However, due to the structure of the reflection type, a front light illuminating device that illuminates from the observer side is used.
[0003]
In order to reduce the thickness, the front light illuminating device generally includes a light source and a planar light guide element. The light guide element is arranged on the front surface of the liquid crystal display, and emits light from a light source little by little from one surface while being incident from an end portion and traveling inside, and guides the light to the liquid crystal display.
[0004]
FIG. 15 shows a liquid crystal display device provided with a front light illumination device including a light guide element. 15A is a plan view, and FIG. 15B is a longitudinal sectional view. The light guide element 90 is macroscopically plate-shaped and has an upper surface 91 and a lower surface 92. Prism-shaped convex portions 93 are repeatedly provided on the upper surface 92, and each convex portion 93 has a first surface 93a and a second surface 93b. The lower surface 92 is a plane, and the upper surface 91 is a plane parallel to the lower surface 92 as a whole.
[0005]
The first surface 93a of each projection 93 of the light guide element 90 is inclined so that the second surface 93b is higher, and the second surface 93b is inclined so that the first surface 93a is higher. I have. The width of the second surface 93b is larger than the width of the first surface 93a, and the inclination angle θ2 of the second surface 93b with respect to the entire plane of the upper surface 91 is smaller than the inclination angle θ1 of the first surface 93. .
[0006]
A linear light source (for example, a cold cathode tube) 96 and a reflector 97 are arranged to face the end surface 94 of the light guide element 90. The light emitted from the light source 96 is incident on the light guide element 90 from the end surface 94 directly or reflected by the reflector 97. The incident light is totally reflected by the second surface 93b of each of the projections 93 on the lower surface 92 and the upper surface 91, and travels inside the light guide element 90 in the direction in which the projections 93 are repeated. The light is reflected by the first surface 93a of the first light-emitting device and is largely changed in direction.
[0007]
The front light illuminating device is used in a form in which the lower surface 92 of the light guide element 90 faces the reflective liquid crystal display 98, and illuminates the liquid crystal display 98 with light emitted from the lower surface. The illumination characteristics are defined by the shape of the entire light guide element 90 and the shape of each projection 93.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, heretofore, the overall shape of the light guide element 90 and the shape of each projection 93 that define the illumination characteristics of the illumination device have not been studied in detail. For this reason, at present, the utilization efficiency of light from the light source 96 for illumination remains low, and uniform illumination cannot be achieved at present.
[0009]
In order to illuminate the entire surface to be illuminated, the light from the light source 96 is guided to the end surface 95 facing the end surface 94 on the incident side, but the light that reaches the end surface 95 is transmitted through and lost. The more light that reaches the end face 95, the lower the light utilization efficiency.
[0010]
The amount of outgoing light at each part of the light guide element 90 depends on the number per unit distance of the first surface 93a of the projection 93, the individual area of the first surface 93a, and the amount of light remaining in the light guide element 90. It is approximately proportional to the product of the amount of light and the frequency of light per unit distance incident on the upper surface 91. Since the amount of light traveling inside the light guide element 90 gradually decreases, if the convex portions 93 having the same shape are repeated at a constant pitch, the light emitted from a portion farther from the end surface 94 on the incident side becomes smaller. Then, a gradient occurs in the amount of illumination light. This is shown in FIG.
[0011]
In addition, since the second surface 93b of the convex portion 93 that causes total reflection rises from the upstream side to the downstream side of the light, the light traveling inside the light guide element 90 enters the upper surface 91 and the lower surface 92. Each time the angle is totally reflected by the second surface 93b, the angle increases by 2 × θ2. That is, the light approaches the entire upper surface 91 and the lower surface 92 in parallel as the distance from the end surface 94 on the incident side increases. This is shown in FIG. Therefore, as the distance from the end surface 94 increases, the frequency of light incident on the upper surface 91 decreases, and the gradient of the amount of illumination light is promoted. In addition, the amount of light that reaches the end face 95 and is lost increases.
[0012]
Since the light from the light source 96 is divergent light, the angle of incidence of the light on the first surface 93a differs for each convex portion 93. Therefore, the traveling direction of the illumination light generated by the reflection on the first surface 93a is also different for each convex portion 93a. This is shown in FIG. Further, as described above, since the incident angle with respect to the upper surface 91 increases by 2 × θ2, the incident angle with respect to the first surface 93a also increases by 2 × θ2, and the angle difference of the illumination light is further increased. There is a limit to the angle range of the illumination light with respect to the liquid crystal display. If the incident angle exceeds the allowable range, the illumination light cannot be modulated properly, or the ghost light with a different traveling direction will be given to the light representing the modulated image. Light may be generated, thereby deteriorating the quality of provided images.
[0013]
The present invention has been made in view of such a problem, and provides a light guide element for illumination that has high light use efficiency for illumination, enables uniform illumination, and has a small angle difference of illumination light. The purpose is to:
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the present invention, a prism-shaped convex portion is repeatedly formed, and has a lower surface facing the upper surface, and light incident inside is totally reflected by the upper surface and the lower surface. In a light guide element that reflects light transmitted from the lower surface at one portion of each convex portion and makes light emitted from the lower surface as illumination light while traveling in the direction of repetition of the convex portion, the lower surface of the convex portion The curved surface in the repetition direction, and the thickest portion is located between both ends of the projection in the repetition direction.
[0015]
In this light guide element, the lower surface on which the convex portion is not provided is not a flat surface but a curved surface, and the incident angle of the light traveling inside to the upper surface and the lower surface and the thickness of the element (distance between the upper surface and the lower surface) are determined by the lower surface. Can be adjusted by the curvature. The smaller the thickness, the higher the incidence frequency of light on the upper surface. Therefore, uniform illumination can be performed by reducing the thickness of the portion on the downstream side in the light traveling direction. Further, it is also possible to emit a large amount of light from the lower surface of the downstream portion to reduce light that is transmitted through the downstream end surface and lost, thereby increasing light use efficiency. In addition, since the central portion is thickened, it becomes easy to reduce the angle difference of the emitted illumination light.
[0016]
In order to achieve the above object, the present invention also has an upper surface in which prism-shaped convex portions are repeatedly formed, and a lower surface facing the upper surface, and totally internally reflects light that has entered inside by the upper surface and the lower surface. In the light guide element which is reflected so as to transmit through the lower surface at one portion of each convex portion while traveling in the direction of repetition of the convex portion, and the light emitted from the lower surface is used as illumination light, the upper surface as a whole is , And a curved surface in the repetition direction of the convex portion.
[0017]
In this light guide element, the upper surface on which the convex portion is provided is a curved surface when viewed macroscopically, and the angle of incidence and the thickness of the element with respect to the upper surface and the lower surface of light traveling inside are adjusted by the curvature of the upper surface. Can be. By reducing the thickness of the downstream portion, uniform illumination can be performed, and light use efficiency can be increased. In addition, the area of a portion that generates light transmitted through the lower surface can be changed by the convex portion, and thus more uniform illumination can be performed.
[0018]
Here, each convex portion has, in order from the downstream side of light, a first surface descending from the upstream side to the downstream side, and a second surface rising from the upstream side to the downstream side. The surface reflects light in a direction that transmits through the lower surface, the second surface reflects light in a direction that is totally reflected by the lower surface, and the inclination of the second surface is set to be smaller as the convex portion is located on the downstream side of the light. It is good to With this configuration, it is possible to suppress the incident angle of light with respect to the upper surface from increasing at the downstream portion due to the inclination of the second surface, and to further reduce the thickness of the downstream portion. Thus, more uniform illumination can be achieved, and the light use efficiency can be improved. Further, the angle difference of the illumination light is further reduced.
[0019]
Each projection has a first surface descending from the upstream side to the downstream side in order from the downstream side of the light, and a second surface rising from the upstream side to the downstream side. It is preferable to reflect the light in the direction transmitting through the lower surface of the first surface, reflect the light in the direction totally reflected by the lower surface on the second surface, and set the inclination of the first surface to be different depending on the convex portion. This makes it easy to reduce the angle difference between the illumination lights. Note that the projection may have a third surface for re-entering light transmitted through the first surface, in addition to the first surface and the second surface.
[0020]
It is preferable that the ratio of the length of the line segment formed by the first surface to the length of the line segment formed by the second surface in a cross section in the repetition direction of the convex portion be set in a range from 1:10 to 1/16. . By doing so, the first surface can be made large for the pitch of the repetition of the projections, which facilitates fabrication. In addition, the balance between the amount of emitted light and the amount of light traveling inside can be maintained in a range where uniform illumination is possible.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows a longitudinal section of the light guide element 1 of the first embodiment. The light guide element 1 is plate-shaped, and has an upper surface 11 and a lower surface 12 opposed thereto. On the upper surface 11, a prism-shaped convex portion 13 is repeatedly formed. Each projection 13 has a first surface 13a and a second surface 13b, and has a triangular cross section. In addition, all the protrusions 13 have the same shape, the same size, and are parallel. Each projection 13 is smaller than the entire size of the light guide element 1, and the upper surface 11 is a plane as a whole, that is, macroscopically.
[0022]
The light guide element 1 has two

end surfaces

14 and 15 that are perpendicular to the direction in which the protrusions 13 are repeated. By arranging a linear light source facing the end face 14, the light guide element 1 forms an illumination device together with the light source. As shown in FIG. 15, the light source may be a combination of a cold cathode tube and a reflector, or a combination of a linear light guide element and a small light emitting element (for example, a light emitting diode). An element facing the end face of the element can be used.
[0023]
The first surface 13a of each projection 13 of the upper surface 11 is inclined so that the second surface 13b side (end surface 14 side) is higher, and the second surface 13b is inclined to the first surface 13a side (end surface 15). Side) is inclined to be higher. The width of the second surface 13b is larger than the width of the first surface 13a, and the inclination angle θ2 of the second surface 13b with respect to the entire plane of the upper surface 11 is smaller than the inclination angle θ1 of the first surface 13a. . The inclination angle θ1 of the first surface 13a is set to 35 ° to 55 °.
[0024]
The light guide element 1 totally reflects the light from the light source that has passed through the end face 14 and incident on the lower surface 12 and the second surface 13 b of each of the protrusions 13 on the upper surface 11, and repeats the direction of the protrusions 13. The light is reflected by the first surface 13a, changes its direction greatly, and is transmitted through the lower surface 12 and emitted. The lighting device including the light guide element 1 is used in a form in which the lower surface 12 of the light guide element 1 faces an object to be illuminated, for example, a reflective liquid crystal display.
[0025]
The lower surface 12 of the light guide element 1 is a convex curved surface having a curvature in the direction in which the convex portions 13 are repeated. Further, the lower surface 12 rises closer to the end surface 14 near the end surface 14 and approaches the upper surface 11, and rises closer to the end surface 15 near the end surface 15 and approaches the upper surface 11. That is, the light guide element 1 is thickest between the end faces 14 and 15.
[0026]
The incident angle of the light traveling inside the light guide element 1 with respect to the upper surface 11 increases by 2 × θ2 every time the light is totally reflected by the second surface 13b of the convex portion 13. However, since the lower surface 12 is a curved surface as described above, the angle of incidence of light on the upper surface 11 decreases as the light is totally reflected by the lower surface 12. That is, the increase in the incident angle of light on the upper surface 11 due to the total reflection on the second surface 13b can be offset by the total reflection on the lower surface 12, and the angle of the light with respect to the upper surface 11 can be reduced. It can be substantially constant throughout. Thus, the incidence frequency of light per unit distance to the upper surface 11 is prevented from decreasing at the downstream (end surface 15 side) portion.
[0027]
Further, by increasing the curvature of the lower surface 12, the incident angle of light with respect to the upper surface 11 can be made smaller toward a downstream portion. This is shown in FIG. In this case, the frequency of incidence on the upper surface 11 of the downstream portion is further increased.
[0028]
Further, the traveling distance of light from the time when the light is incident on the upper surface 11 to the time when the light is next incident on the upper surface 11 is proportional to the thickness of the light guide element 1. Inversely proportional to In the light guide element 1 having a thin downstream portion, the frequency of incidence on the upper surface 11 in the downstream portion can be increased also in this regard.
[0029]
Therefore, the light guide element 1 can emit a large amount of light even on the downstream side where the amount of light remaining inside decreases, and can uniformly illuminate the illumination target. In addition, since light close to being parallel to the upper surface 11 is small even on the downstream side, light transmitted through the end surface 15 is reduced, and light from the light source can be efficiently used for illumination.
[0030]
Here, the convex portion 13 has a triangular shape having only two

surfaces

13a and 13b, but may have a trapezoidal shape by adding a third surface 13c as shown in FIG. This is the same in the embodiments described below. Although the angle of incidence of the light on the first surface 13a that generates the outgoing light is relatively small, some light is transmitted through the first surface 13a, but part of the light transmitted through the first surface 13a is converted into the third surface. It is possible to re-enter the light guide element 1 from 13c, and the light use efficiency is further improved. Even when the third surface 13c is added, it is the second surface 13b that causes total reflection.
[0031]
FIG. 4 schematically shows a longitudinal section of the light guide element 2 of the second embodiment. The light guide element 2 of the present embodiment is obtained by modifying the above light guide element 1 and gradually changing the inclination angle θ2 of the second surface 13b of the projection 13. If the inclination angle of the second surface 13b of the n-th projection 13 counted from the projection 13 closest to the end face 14 is represented as θ2 (n), then θ2 (n) <θ (n + 1). The inclination angle θ1 of the first surface 13a is constant.
[0032]
Intersecting lines between the first surface 13a of one convex portion 13 and the second surface 13b of the adjacent convex portion 13 (hereinafter, this intersection line is referred to as a bottom line) are all located on the same plane (hereinafter, referred to as a bottom line). The plane formed by the bottom line is called the bottom line surface). A line of intersection between the first surface 13a and the second surface 13b of the same convex portion 13 (hereinafter, this line of intersection is referred to as a ridge line) is located on the same plane or on a curved surface (hereinafter, a plane formed by the ridge line). Ridge surface).
[0033]
The width of the second surface 13b (the length of a line segment formed by the second surface 13b in a cross section that is parallel to the direction in which the protrusions are repeated and is orthogonal to the first and

second surfaces

13a and 13b) is substantially constant. Therefore, the width of the first surface 13a differs depending on the projection 13. Whether the ridge surface is flat or curved depends on how the inclination angle θ2 of the second surface 13a changes. However, the width of the second surface 13b may not be constant.
[0034]
In the light guide element 2, since the area of the first surface 13a is larger in the convex part 13 on the downstream side, the amount of light emitted from the downstream part can be further increased. Therefore, more uniform illumination is possible. How to change the inclination angle θ2 of the second surface 13b is set in consideration of the curvature of the lower surface 12.
[0035]
The vertical cross sections of the light guide element 3 of the third embodiment and the light guide element 4 of the fourth embodiment are schematically shown in FIGS. 5 and 6, respectively. The light guide elements 3 and 4 have the upper surface 11 as a whole having a curved surface having a curvature in the repetition direction of the convex portion 13. In each of the light guide elements 3 and 4, the bottom line surface is a curved surface, and all the protrusions 13 have the same shape and the same size. The inclination angle θ2 of the second surface 13b is set so as to gradually decrease from the convex portion 13 on the end face 14 side, and the ridge line surface is a curved surface slightly different from the bottom line surface. The upper surface 11 is highest between the end faces 14 and 15.
[0036]
FIG. 7A shows a state in which two convex portions 13 viewed from the bottom line direction are overlapped. These convex portions 13 are the two convex portions 13 in FIG. Although the protrusions 13 have the same shape and size but the different inclination angle θ2 of the second surface 13b, a difference ΔP occurs in the pitch P, and the downstream pitch is smaller. Therefore, in the light guide elements 3 and 4, the number of the first surfaces 13a per unit distance is large on the downstream side, and the amount of light emitted from the downstream part can be further increased.
[0037]
In addition, the inclination angle θ1 of the first surface 13a gradually increases from the convex portion 13 on the end surface 14 side, and the light is emitted despite that the incident angle with respect to the upper surface 11 is different due to the convex portion 13 as shown in FIG. The direction of the illumination light can be made substantially constant. The lower surface 12 of each of the light guide elements 3 and 4 is a curved surface. The light guide element 3 has the maximum thickness at the end face 14, and the light guide element 4 has the maximum thickness at the center.
[0038]
The vertical cross sections of the light guide element 5 of the fifth embodiment and the light guide element 6 of the sixth embodiment are schematically shown in FIGS. 9 and 10, respectively. The

light guide elements

5 and 6 are obtained by modifying the light guide elements 3 and 4, respectively, so that the upper surface 11 is the highest at the end surface 14.
[0039]
FIG. 11 shows a vertical cross section of a part of the upper surface 11 of the light guide element 7 of the seventh embodiment. In the light guide element 7, the width of the second surface 13b is gradually reduced from the protrusion 13 on the end face 14 side. The width of the first surface 13a is the same, and therefore, the shape and size of each protrusion 13 are different. Even in this case, the number of the first surfaces 13a per unit distance increases in the downstream portion, and the amount of light emitted from the downstream portion can be increased. The second surfaces 13b are all parallel.
[0040]
FIG. 12 shows a vertical cross section of a part of the upper surface 11 of the light guide element 8 of the eighth embodiment. In the light guide element 8, the width of the second surface 13 b is gradually reduced from the protrusion 13 on the side of the end face 14 similarly to the light guide element 7, and the inclination angle θ2 of the second surface 13 b is also gradually reduced. It was done. Therefore, the upper surface 11 is a curved surface. By doing so, the amount of light emitted from the downstream portion can be made larger than that of the light guide element 7. Further, the angle difference between the emitted lights is also reduced.
[0041]
FIG. 13 shows a longitudinal section of a part of the upper surface 11 of the light guide element 9 of the ninth embodiment. The light guide element 9 is obtained by modifying the above light guide element 8 and gradually increasing the width of the first surface 13a from the protrusion 13 on the end face 14 side. In this way, the number of the first surfaces 13a per unit distance does not greatly differ, but the area of the first surface 13a increases toward the downstream side, and the amount of light emitted from the downstream side Can be more.
[0042]
An example of the calculation result of the characteristics of the light guide element of the present invention by the ray tracing method is shown below. As a calculation example, the light guide element 1 of the first embodiment and the light guide element 4 of the fourth embodiment were used. As a comparative example, a conventional light guide element 90 shown in FIG. 15 and a light guide element 90a of FIG. 14 in which the lower surface 92 is not parallel to the upper surface 91 were used. The calculation results are as shown in Table 1.
[0043]

[0044]
Here, the first second surface width ratio is a ratio of the width of the second surface 13b (93b) to the width of the first surface 13a (93a) (the length of a line segment in a cross section in the repetition direction of the protrusion). The thickness at the downstream end face is the thickness of the light guide element at end face 15 (95). The light utilization efficiency is a ratio of the total amount of light emitted from the lower surface 12 (92) to the total amount of incident light. Further, the inclination angles θ1 and θ2 of the first and second surfaces are those of the convex portion 13 closest to the end face 14 in the light guide element 4. The total amount of change in the inclination angle θ2 of the second surface is the total amount of change in the inclination angle θ2 over the entire second surface 13b.
[0045]
The total length of the light guide element is 44 mm, the thickness at the upstream end surface 14 (94) is 1 mm, the pitch of the protrusions 13 (93) is 0.17 mm, the total length of the protrusions is 40 mm, and the start position of the protrusions is the end surface. 14 (94) to 2 mm. The lower surface 11 of each of the light guide elements 1 and 4 was a cylindrical surface having a radius of curvature of 571.6 mm, and the center of curvature was located on a perpendicular bisector of a straight line connecting the end surfaces 14 and 15. Each light guide element was individually set such that the luminance uniformity was 90% or more. The refractive index of each light guide element was 1.584.
[0046]
In the conventional light guide element 90, when the luminance uniformity is set to 90% or more, the light use efficiency is only 19.6%. Even in the light guide element 90a in which the lower surface 92 of the plane is inclined so as to be closer to the upper surface 91 toward the downstream side, the light use efficiency is only improved by about 2%.
[0047]
On the other hand, in the light guide element 1 according to the first embodiment of the present invention, the light use efficiency was 35.8%, which was 1.5 times that of the conventional light guide element 90. In the light guide element 4 of the fourth embodiment, the light use efficiency was further improved to 38.3%. This indicates that it is effective to make the lower surface 12 and the upper surface 11 curved surfaces for achieving both uniform illumination and high light use efficiency. It is also found that the ratio of the width of the second surface 13b to the width of the first surface 13a is preferably 16 or less. However, it is known from other calculation results that it is difficult to make the luminance uniformity 90% or more if this ratio is less than 10, and it is preferable that this ratio be 10 or more and 16 or less.
[0048]
In each embodiment, the end surface 14 on the incident side is a plane, but the shape of the end surface 14 may be set arbitrarily. For example, when a rod-shaped cold cathode tube is used as a light source, the amount of incident light can be increased by bringing the light source close to the light source by making the end face a concave surface along the surface of the cold cathode tube.
[0049]
As a material of the light guide element, a resin can be used in addition to glass. If a resin is used, it can be produced by injection molding or compression molding, and the production efficiency is improved. The material may be selected in consideration of optical properties such as transparency and refractive index. For example, polymethyl methacrylate (PMMA), a copolymer of methyl methacrylate and another methacrylate or acrylate, polycarbonate (PC), Cycloolefin polymers are suitable.
[0050]
In particular, the cycloolefin polymer has a specific gravity of 1.0, which is smaller than other resins (for example, PMMA of 1.2), and a refractive index of 1.53, which is larger than other resins (for example, PMMA has a refractive index of 1.49), and hence a high light confinement effect, which is preferable in terms of weight reduction and thickness reduction. In addition, since it has high fluidity before solidification, it is suitable for injection molding, and has low hygroscopicity and is hardly deformed even under high humidity conditions, so that it is suitable for thin light guide elements.
[0051]
Further, it is not necessary to form the light guide element with a single material. For example, it is also possible to manufacture by sticking a sheet on which a prism-shaped convex portion is formed to a mere transparent plate.
[0052]
【The invention's effect】
Each has an upper surface on which prismatic convex portions are repeatedly formed, and a lower surface facing the upper surface. In a light guide element that reflects light transmitted through the lower surface at one portion of the convex portion and emits light from the lower surface as light for illumination, the lower surface is a curved surface in the repeating direction of the convex portion as in the present invention. If the thickest portion is located between both ends in the repeating direction of the convex portion, the incident angle of light to the upper surface and the lower surface and the thickness of the element can be adjusted by the curvature of the lower surface, and the uniformity can be obtained. It is possible to perform a proper lighting and to enhance the light use efficiency. In addition, since the central portion is thickened, it is easy to reduce the angle difference of the emitted light.
[0053]
Each has an upper surface in which prism-shaped convex portions are repeatedly formed, and a lower surface facing the upper surface. In a light guide element that reflects light transmitted through the lower surface at one portion of the convex portion and uses light emitted from the lower surface as light for illumination, as in the present invention, the upper surface as a whole is in the repeating direction of the convex portion. With a curved surface configuration, the angle of incidence of light on the upper and lower surfaces and the thickness of the element can be adjusted by the curvature of the upper surface, enabling uniform illumination and improving light use efficiency. become. In addition, the area of a portion that generates light transmitted through the lower surface can be changed by the convex portion, and thus more uniform illumination can be performed.
[0054]
Each projection has a first surface descending from the upstream side to the downstream side in order from the downstream side of the light, and a second surface rising from the upstream side to the downstream side. When light is reflected in a direction that transmits light, and light is reflected in a direction that is totally reflected by the lower surface on the second surface, and the inclination of the second surface is set to be smaller as the convex portion positioned on the downstream side of the light is: The angle of incidence of light on the upper surface due to the inclination of the second surface can be suppressed from increasing at the downstream portion, and the thickness of the downstream portion can be further reduced. Uniform illumination can be provided, and light use efficiency can be improved. Further, the angle difference of the illumination light is further reduced.
[0055]
Each projection has a first surface descending from the upstream side to the downstream side in order from the downstream side of the light, and a second surface rising from the upstream side to the downstream side. When light is reflected in a direction that transmits light through the second surface and light is reflected in a direction that is totally reflected by the lower surface, and the inclination of the first surface is set to be different depending on the convex portion, the angle difference of the illumination light is reduced. It is easier to do.
[0056]
Assuming that the ratio of the length of the line segment formed by the first surface and the length of the line segment formed by the second surface in a cross section in the repetition direction of the convex portion is set in a range of 1:10 to 1/16, The first surface can be enlarged for the pitch of the repetition of the projections, so that the production is easy and the balance between the amount of emitted light and the amount of light traveling inside can be balanced by uniform illumination. It can be kept to the extent possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a light guide element according to a first embodiment.
FIG. 2 is a view showing angles of light with respect to an upper surface and a lower surface of the light guide element of the first embodiment.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a modified example of the light guide element of the first embodiment.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of a light guide element according to a second embodiment.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view of a light guide element according to a third embodiment.
FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a light guide element according to a fourth embodiment.
FIG. 7 is a longitudinal sectional view of different convex portions of the light guide elements of the third and fourth embodiments.
FIG. 8 is a diagram showing angles of illumination light emitted from the light guide elements of the third and fourth embodiments.
FIG. 9 is a longitudinal sectional view of a light guide element according to a fifth embodiment.
FIG. 10 is a longitudinal sectional view of a light guide element according to a sixth embodiment.
FIG. 11 is a longitudinal sectional view of a part of the upper surface of a light guide element according to a seventh embodiment.
FIG. 12 is a longitudinal sectional view of a part of the upper surface of a light guide element according to an eighth embodiment.
FIG. 13 is a longitudinal sectional view of a part of the upper surface of a light guide element according to a ninth embodiment.
FIG. 14 is a longitudinal sectional view of a modified example of the conventional light guide element used for characteristic evaluation.
15A and 15B are a plan view and a longitudinal sectional view of a liquid crystal display device including a conventional light guide element.
FIG. 16 is a view showing non-uniformity of the amount of illumination light in a conventional light guide element.
FIG. 17 is a diagram showing a change in an incident angle on an upper surface in a conventional light guide element.
FIG. 18 is a diagram showing an angle difference of illumination light in a conventional light guide element.
[Explanation of symbols]
1-9 Light guide element
11 Top
12 Lower surface
13 convex part
13a first surface
13b second surface
13c Third surface
14 End face
15 End face
θ1 Angle of inclination of first surface
θ2 Inclination angle of the second surface
P Pitch of convex part

Claims

Each has an upper surface in which prism-shaped convex portions are repeatedly formed, and a lower surface facing the upper surface. In the light guide element, which is reflected at one portion of the convex portion so as to pass through the lower surface, and the light emitted from the lower surface is used as illumination light.
A light guide element, wherein a lower surface is a curved surface in a direction in which a convex portion is repeated, and a thickest portion is located between both ends in a direction in which the convex portion is repeated.

Each has an upper surface in which prism-shaped convex portions are repeatedly formed, and a lower surface facing the upper surface. In the light guide element, which is reflected at one portion of the convex portion so as to pass through the lower surface, and the light emitted from the lower surface is used as illumination light.
A light guide element, wherein the upper surface is a curved surface in the repetition direction of the convex portions as a whole.

Each projection has a first surface descending from the upstream side to the downstream side in order from the downstream side of the light, and a second surface rising from the upstream side to the downstream side. And reflects light in a direction that is totally reflected by the lower surface at the second surface,
3. The light guide element according to claim 1, wherein the inclination of the second surface is smaller at the convex portion located on the downstream side of the light. 4.

Each projection has a first surface descending from the upstream side to the downstream side in order from the downstream side of the light, and a second surface rising from the upstream side to the downstream side. And reflects light in a direction that is totally reflected by the lower surface at the second surface,
The light guide element according to claim 1, wherein an inclination of the first surface is different depending on the convex portion.

The ratio of the length of the line segment formed by the first surface to the length of the line segment formed by the second surface in a cross section in the repeating direction of the convex portion is within a range from 1:10 to 1/16. The light guide element according to claim 3, wherein the light guide element is provided.